開關(guān)頻率至關(guān)重要

　　直流共振方式的開關(guān)電路采用了“最佳ZVS（Zero Voltage Switching）動作”等高級電路技術(shù)，對在高速開關(guān)動作中開關(guān)損失等電力損失非常小的D級逆變器（放大電路）等比較有效（圖5）5）。采用該電路構(gòu)成的話，輸出阻抗幾乎為0Ω。除等效內(nèi)部電阻以外幾乎都不消耗能量，也基本不消耗電磁能。

　　圖5：通過最佳ZVS動作的開關(guān)電源降低損失

　　ZVS（zero volt switching）之一——最佳ZVS動作開關(guān)電源的電路構(gòu)成（a）、基本動作波形（b）、晶體管（FET）的硬開關(guān)和軟開關(guān)動作的差異。

　　不過，直流共振方式的WPT與只是單純地將0Ω的D級放大電路和E級放大電路用于WPT的方式不同。D級放大電路和E級放大電路將供電器件的負載認定為基本固定的50Ω純電阻。也就是說僅在負載為50Ω時可發(fā)生適當?shù)墓舱?，并向負載供給電力。

　　而WPT系統(tǒng)的供電器件負載并不確定。也就是說，等效負載會隨著耦合狀態(tài)發(fā)生變化。另外，負載的耗電量也會變化。

　　因此，直流共振方式通過以供電器件負載阻抗的電抗（虛部）為0的開關(guān)頻率運行，利用直流電力引發(fā)共振。由此無需進行阻抗匹配。

　　換言之，這意味著即使是一個或多個等任意負載，即便配置了多個共振線圈，也能準確地形成共振場。

　　此前學(xué)會上報告的共振型WPT系統(tǒng)的電源電路大部分都采用了50Ω類通信技術(shù)。采用50Ω類電源的WPT系統(tǒng)從電源來看對供電部和輸出負載部進行了分壓。結(jié)果，整體電力效率最大只能有50％。

　　即使想將50Ω降至0Ω，從技術(shù)上來說，能為變化的負載供電，并獲得MHz以上的高頻正弦波電壓源是很難找到的。

　　另外，原技術(shù)還需要設(shè)計使得供電器件和受電器件各共振器的自共振頻率與高頻交流電源的頻率一致，或者與之匹配。而且，在高頻交流電源的頻率中，無法獲得阻抗匹配的電力會被反射回來，通過50Ω輸出阻抗轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉。

　　積極利用寄生電容

　　作為直流共振方式無線供電的具體示例，我們提出了“電磁共振型多共振式ZVS”WPT系統(tǒng)的電路方案（圖6）2）。

　　圖6：利用直流（矩形波）直接驅(qū)動共振器

　　本圖為采用直流共振方式的電磁共振型多共振式ZVS無線供電系統(tǒng)的等效電路。

　　提案的供電系統(tǒng)中，供電側(cè)把對商用交流電源進行整流濾波的電壓作為輸入電源電壓直接供電。受電側(cè)可控制電力，以使整流濾波后的電壓變?yōu)樗璧闹绷麟妷骸?/p>

　　提案系統(tǒng)與以往的磁共振方式相比，通過大幅削減電力轉(zhuǎn)換和傳輸機構(gòu)，可大幅提高電力效率。

　　圖6表示了在供受電器件間等效形成的互感、互電容，漏感以及分布電容等寄生要素。提案將這些要素作為電路參數(shù)用到了電力傳輸之中。

　　在供受電器件的距離較為接近的近距離情況下，互電容的影響比較大。而距離較遠時，互電容的影響減小。這些系統(tǒng)在供電側(cè)和受電側(cè)雙方構(gòu)成LC共振電路，通過采用反射電力不會轉(zhuǎn)化為電力損失的構(gòu)成，可提高電力效率。

　　還可實現(xiàn)雙向電力傳輸

　　從本系統(tǒng)的電路拓撲可以看出，供電側(cè)和受電側(cè)能夠采用對稱結(jié)構(gòu)。受電側(cè)電路的兩個FET作為整流電路工作，這兩個FET還可以直接作為開關(guān)電路的振蕩元件使用。也就是說，可進行雙向電力傳輸。另外，能將受電側(cè)的電路塊直接作為中繼設(shè)備使用，延長無線傳輸距離，或者分流。也就是說，該電路塊能作為供電、中繼和受電任意一種電路使用，可單元化。

　　根據(jù)中繼點設(shè)置這種單元化的電路模塊，還可以在其他時間將充電后存儲的電力用于供電用途，或者通過其他能源補給電力后供電（圖7）。

　　圖7：各種器件形成共振場

　　本圖為供電器件、共振（中繼）裝置和受電器件共享共振場的示意圖和模擬示例。

　　我們利用村田軟件開發(fā)的有限元法解析軟件“Femtet”分析了由大量共振線圈形成的電磁共振場的磁場（圖7（b））。通過分析發(fā)現(xiàn)，線圈附近的磁場強度較大，電磁共振場擴大到了空間中。

　　另外，圖1的驗證實驗將太陽能電池發(fā)電的直流電壓進行了電力傳輸，通過直流電流點亮了多個LED。驗證了（1）直流-直流電力傳輸、（2）多負載供電、（3）電磁共振場的擴大以及（4）多方向供電等多項有用的技術(shù)。還有望實現(xiàn)光伏發(fā)電等利用自然能源的環(huán)保供電系統(tǒng)。

　　效果同“小號”

　　直流共振方式與以往的磁共振方式相比，將電源電力轉(zhuǎn)換為電磁場能量的效率較高，下面就其原因進行一下直觀解釋。

　　假設(shè)直流共振方式的電源和供電用共振裝置為小號，磁共振方式的電源和供電用共振裝置為吉他，感知聲音的耳朵為受電用共振裝置（圖8）。小號能高效向空氣中振動，奏出比吉他更大更有力道的聲音。這是為什么呢？

　　圖8：與小號和吉他的差別類似

　　直流共振方式WPT和現(xiàn)有眾多磁共振方式WPT的電力及電磁場轉(zhuǎn)換效率的差別與小號和吉他聲音大小不同的理由非常相似。

　　吉他等弦樂器的弦振動傳遞到吉他的表板上，表板振動，再通過共振箱將振動傳遞到空氣中發(fā)聲。表板起到的是揚聲器的作用。通過采用箱構(gòu)造，反射表板向后發(fā)出的聲音并放大，同時傳遞到表面。

　　此時重要的是，在通過弦的振動使板振動，再將弦的振動傳遞到板上并進行放大的過程中，聲能受到了損失。結(jié)果發(fā)出的聲音就變小。

　　這一點與磁共振方式一樣。原來的磁共振方式大多采用通過電力放大電路將高頻信號放大的高頻交流電源。共振器隨著高頻交流電源的頻率激振，產(chǎn)生振動的磁力線，共振器之間耦合。

　　此時，為放大高頻信號并傳輸能量，損失會增加。結(jié)果導(dǎo)致電力效率降低。

　　而小號等管樂器直接振動空氣。銅管樂器小號的振動源是演奏者的唇的振動，木管樂器單簧管的振動源是被稱為簧片（Reed）的薄片的振動。這些振動源會控制空氣的流動。然后選出符合共振管頻率的聲音成分放大，由此可以發(fā)出較大的聲音。與弦的振動經(jīng)由板傳遞到空氣中不同，小號是直接向空氣中傳遞振動，傳遞效率非常高。因此能發(fā)出強力的聲音。

　　直流共振方式與之非常相似。直流共振方式通過電力用半導(dǎo)體元件FET等形成振動，控制電力的流動。然后直接形成共振場、也就是通過共振頻率振動的電磁場。因此，損失較少，在原理上能量傳輸效率出色。